СПОСОБ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА МЕЖДУ ДВУМЯ ЖИДКОСТЯМИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК H05H1/18 

Изобретение относится к способам и устройствам для получения, исследования и применения низкотемпературной плазмы и может быть применено в плазмохимии, плазменной технике и плазменных технологиях обработки материалов.

Известен способ создания электрического разряда между двумя жидкостями, заключающийся в зажигании горизонтального разряда в кварцевой трубке между двумя жидкостями, налитыми в разные сосуды [1]. Недостатком этого способа является то, что объем разряда ограничен из-за необходимости использования кварцевой трубки и нет свободного доступа в область разряда.

Известен другой способ создания электрического разряда между двумя жидкостями, заключающийся в зажигании горизонтального разряда между пленками двух жидкостей, текущих вниз по поверхности двух, образующих небольшой зазор, плоских металлических электродов [2].

Недостатками этого способа являются малые размеры разрядной области и неустойчивость разряда вследствие воздействия на него конвективных потоков пара.

Известен способ создания электрического разряда между двумя жидкостями, наиболее близкий к рассматриваемому по технической сущности, заключающийся в зажигании вертикального разряда между жидкостью, налитой в сосуд с токоподводом, и каплей, провисающей на торце электрода (второго токоподвода), установленного над сосудом с жидкостью [3].

Недостатками известного способа являются: 1) разряд нестационарный и неустойчивый; 2) разряд горит только при малых значениях тока, соответственно и мощность разряда является небольшой; 3) объем разряда микроскопически мал, порядка нескольких кубических миллиметров. Все эти перечисленные недостатки ограничивают технологические и иные прикладного характера возможности разряда.

Прототипом устройства для осуществления способа является устройство, содержащее источник питания, переменный резистор для регулирования тока, ванну с электролитом, нижний токоподвод, смонтированный внутри ванны, и верхний стержневой токоподвод-электрод, расположенный вертикально над ванной с электролитом [3].

Изобретение направлено на увеличение мощности и объема разряда.

Это достигается тем, что в известном способе создания электрического разряда между двумя жидкостями, при котором зажигают разряд в вертикальном направлении между двумя жидкостями, одну из которых наливают в сосуд с токоподводом, а другую подают на поверхность второго токоподвода, расположенного над сосудом, с нижней стороны второго верхнего токоподвода устанавливают межэлектродную вставку из пористого диэлектрика и одну из жидкостей непрерывно подают через нее на ее нижнюю, обращенную к разрядной области поверхность, в количестве, достаточном для поддержания смоченного состояния межэлектродной вставки, непрерывно отсасывая основную массу жидкости со стороны верхней поверхности пористой межэлектродной вставки.

В устройстве для осуществления способа, содержащем источник питания, переменный резистор для регулирования тока, ванну с электролитом, нижний токоподвод, смонтированный внутри ванны, и верхний стержневой токоподвод-электрод, расположенный вертикально над ванной с электролитом, верхний токоподвод выполнен в виде цилиндра с открытым нижним основанием, через верхнее закрытое основание цилиндра пропущена насквозь трубка для подвода второго электролита так, что нижний конец этой трубки находится на 2-5 мм выше уровня конца цилиндра, на боковой поверхности цилиндра выполнено отверстие, в которое вставлен патрубок для отсоса второго электролита, на цилиндр снизу надета выполненная из пористого диэлектрика межэлектродная вставка, закрывающая полость цилиндра, образуя зазор между межэлектродной вставкой и сквозной трубкой цилиндра, при этом межэлектродная вставка обхватывает цилиндр снаружи, а сквозная трубка цилиндра соединена через вентиль с нагнетающим насосом, а боковой патрубок цилиндра - через вентиль с отсасывающим насосом, при этом оба насоса соединены с емкостью для второго электролита. Во втором варианте устройства для осуществления способа верхний токоподвод выполнен в виде цилиндра с открытым нижним основанием, через верхнее закрытое основание цилиндра пропущена насквозь трубка для подвода второго электролита так, что нижний конец этой трубки находится на 2-5 мм выше уровня конца цилиндра, на боковой поверхности цилиндра выполнено отверстие, в которое вставлен патрубок для отсоса второго электролита, на цилиндр снизу надета выполненная из пористого диэлектрика межэлектродная вставка, закрывающая полость цилиндра, образуя зазор между межэлектродной вставкой и сквозной трубкой цилиндра, при этом межэлектродная вставка обхватывает цилиндр снаружи, а сквозная трубка цилиндра соединена через вентиль с водопроводной сетью, на боковой патрубок цилиндра надет шланг, другой конец которого опущен вниз ниже уровня нижнего конца цилиндра.

На фиг. 1 изображено устройство для реализации способа;
на фиг. 2 - то же, вариант.

Устройство содержит источник питания 1, переменный резистор 2 для регулирования тока, ванну /сосуд/ 3 с электролитом, нижний токоподвод 4, смонтированный внутри ванны 3, и верхний стержневой токоподвод-электрод 5, расположенный вертикально над ванной 3 с электролитом А, при этом верхний токоподвод 5 выполнен в виде полого цилиндра 6 с открытым нижним основанием, через верхнее закрытое основание цилиндра 6 пропущена насквозь трубка 7 для подвода второго электролита так, что нижний конец этой трубки находится на 2-5 мм выше уровня нижнего конца цилиндра 6, на боковой поверхности которого выполнено отверстие, в которое вставлен патрубок 8 для отсоса второго электролита, на цилиндр 6 снизу надета выполненная из пористого диэлектрика межэлектродная вставка 9 /заглушка/, закрывающая полость цилиндра 6, образуя зазор между межэлектродной вставкой 9 и сквозной трубкой 7 цилиндра 6, при этом межэлектродная вставка 9 обхватывает цилиндр 6 снаружи, а сквозная трубка 7 цилиндра 6 через вентиль 10 соединена с нагнетающим насосом 11, боковой патрубок 8 цилиндра 6 через вентиль 12 соединен с отсасывающим насосом 13, при этом оба насоса соединены с емкостью 14 для второго электролита Б.

Во втором варианте (фиг. 2) сквозная трубка цилиндра 6 соединена через вентиль 10 с водопроводной сетью, на боковой патрубок 8 цилиндра 6 надет шланг 19, второй конец которого опущен ниже уровня основания цилиндра 6.

Способ осуществляется следующим образом. Одна из жидкостей А наливается в сосуд 3 с токоподводом 4. Другая жидкость В с помощью нагнетающего насоса 11 подается из емкости 14 во внутреннюю полость верхнего токоподвода 5 насосом 13. Расход жидкости Б регулируется вентилями 10 и 12 и контролируется ротаметром 15, манометром 16 и вакуумметром 17. Часть жидкости Б просачивается через пористую межэлектродную вставку 9 вниз и капает в сосуд 3.

При подаче высокого напряжения на токоподводы 4 и 5 от источника питания 1 падающие капли замыкают разрядный промежуток 18 и через них проходит электрический заряд, накопленный в конденсаторе С. Капли моментально вскипают и взрываются, образуя сгусток плазмы. Таким образом зажигается электрический разряд между жидкостью А, налитой в сосуд 3, и жидкостью Б, поступающей сверху через пористую межэлектродную вставку 9. Поступление жидкости Б регулируется таким образом, чтобы вся просочившаяся вниз жидкость, полностью испарялась с нижней поверхности межэлектродной вставки 9 и в то же время межэлектродная вставка 9 полностью находилась в смоченном состоянии.

Это является обязательным условием поддержания устойчивого стационарного электрического разряда. Если это условие нарушается, разряд гаснет. Разряд гаснет по двум причинам: 1) из-за высыхания пористой межэлектродной вставки 9; 2) из-за образования струйного течения жидкости Б вниз. Назначение отсасывающего насоса 13 как раз состоит в том, чтобы обеспечить вышеуказанное условие поступления жидкости Б в область разряда 18. Если жидкость Б не отсасывать со стороны верхней поверхности межэлектродной вставки 9 из внутренней полости токоподвода 5, то она под напором потечет через межэлектродную вставку 9 вниз, образуя сплошную струю. При этом электрического разряда не будет, а получится явление обычного электролиза между токоподводами 4 и 5. Если же напор жидкости Б от насоса 11 уменьшить (или же совсем убрать), то под тепловым воздействием электрического разряда пористая межэлектродная вставка 9 высохнет и разряд гаснет. Тепловое воздействие электрического разряда можно снизить уменьшив ток разряда переменным резистором 2. Однако при этом уменьшается мощность разряда и сам разряд уменьшается в объеме. Поэтому для достижения поставленной цели, а именно для увеличения мощности и объема разряда, этот путь неприемлем. Поставленной цели можно достигнуть только увеличив напор от насоса 11, т.е. увеличив расход жидкости Б для снятия тепла от межэлектродной вставки 9. Поэтому возникает необходимость отсасывания жидкости Б из внутренней полости токоподвода 5.

Переменный резистор 2 служит для регулирования тока разряда.

Источник питания 1 является источником постоянного тока. Токоподводы 4 и 5 могут быть подключены к любому (и положительному, и отрицательному) полюсу источника питания 1. На фиг. 1 и 2 указаны варианты подключения токоподводов 4 и 5 к источнику питания.

При использовании в качестве жидкости Б технической воды устройство несколько упрощается (фиг. 2). В этом случае воду (жидкость Б) можно непосредственно взять из водопроводной сети и сливать в канализацию. Таким образом отпадает необходимость в емкости 14 и в насосах 11 и 13.

Экспериментальные исследования показали, что площади привязки разряда к поверхностям жидкостей (на сосуде 3 и на нижней поверхности межэлектродной вставки 9) растут при увеличении тока. При этом мощность и объем разряда увеличиваются. Разряд имеет многоканальную структуру, при увеличении тока число каналов растет. Геометрический объем разряда приближенно имеет форму цилиндра. Объем разряда растет и при увеличении расстояния от поверхности жидкости A до межэлектродной вставки 9. Когда в качестве жидкостей используется техническая вода, разряд горит устойчиво при расстоянии до 25 мм.

В экспериментах был получен электрический разряд для различных диаметров d межэлектродной вставки (от 20 до 60 мм) при токах от 0,2 до 1,5 А. Мощность разряда достигала до 2 кВт, а объем достигал до 70 см³.

Источники информации
1. Гайсин Ф. М. , Сон Э.Е., Шакиров Ю.И. Объемный разряд в парогазовой среде между твердым и жидким электродами. М., Изд. ВЗПИ, с. 82-85.

2. Баринов Ю. А. , Блинов И.О., Дюжев Г.А., Школьник С.М. Экспериментальное исследование разряда с жидкими электродами в воздухе при атмосферном давлении // Материалы конференции "Физика и техника плазмы", т. 1, Минск, Беларусь, 13-15 сентября 1994, с. 123-125.

3. Петров Г. П. , Сальянов Ф.А., Меркурьев Г.А. Исследование разряда с жидким катодом. Труды Казанского авиационного института, вып. 173, 1974, с. 11-15).

Изобретение может быть использовано в плазмохимии, плазменной технике и плазменных технологиях обработки материалов. Зажигают разряд в вертикальном направлении между двумя жидкостями. Предварительно одну из жидкостей наливают в сосуд с токоподводом. Другую жидкость подают на поверхность второго токоподвода, расположенного над сосудом. С нижней стороны второго верхнего токоподвода устанавливают межэлектродную вставку из пористого диэлектрика и одну из жидкостей непрерывно подают через нее на ее нижнюю, обращенную к разрядной области, поверхность. Жидкость подают в количестве, достаточном для поддержания смоченного состояния межэлектродной вставки. Основную массу жидкости отсасывают со стороны верхней поверхности пористой межэлектродной вставки. Такое выполнение позволяет расширить технологические возможности разряда, повысить его устойчивость и увеличить мощность разряда. 3 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ создания электрического разряда между двумя жидкостями, при котором зажигают разряд в вертикальном направлении между двумя жидкостями, одну из которых наливают в сосуд с токоподводом, а другую подают на поверхность второго токоподвода, расположенного над сосудом, отличающийся тем, что с нижней стороны второго верхнего токоподвода устанавливают межэлектродную вставку из пористого диэлектрика и одну из жидкостей непрерывно подают через нее на ее нижнюю, обращенную к разрядной области, поверхность, в количестве, достаточном для поддержания смоченного состояния межэлектродной вставки, непрерывно отсасывая основную массу жидкости со стороны верхней поверхности пористой межэлектродной вставки. 2. Устройство для создания электрического разряда между двумя жидкостями, содержащее источник питания, переменный резистор для регулирования тока, ванну с электролитом, нижний токоподвод, смонтированный внутри ванны, и верхний стержневой токоподвод-электрод, расположенный вертикально над ванной с электролитом, отличающееся тем, что верхний токоподвод выполнен в виде цилиндра с открытым нижним основанием, через верхнее закрытое основание цилиндра пропущена насквозь трубка для подвода второго электролита так, что нижний конец этой трубки находится на 2 - 5 мм выше уровня конца цилиндра, на боковой поверхности цилиндра выполнено отверстие, в которое вставлен патрубок для отсоса второго электролита, на цилиндр снизу надета выполненная из пористого диэлектрика межэлектродная вставка, закрывающая полость цилиндра, образуя зазор между межэлектродной вставкой и сквозной трубкой цилиндра, при этом межэлектродная вставка обхватывает цилиндр снаружи, а сквозная трубка цилиндра соединена через вентиль с нагнетающим насосом, а боковой патрубок цилиндра - через вентиль с отсасывающим насосом, при этом оба насоса соединены с емкостью для второго электролита. 3. Устройство для создания электрического разряда между двумя жидкостями, содержащее источник питания, переменный резистор для регулирования тока, ванну с электролитом, нижний токоподвод, смонтированный внутри ванны, и верхний стержневой токоподвод-электрод, расположенный вертикально над ванной с электролитом, отличающееся тем, что верхний токоподвод выполнен в виде цилиндра с открытым нижним основанием, через верхнее закрытое основание цилиндра пропущена насквозь трубка для подвода второго электролита так, что нижний конец этой трубки находится на 2 - 5 мм выше уровня конца цилиндра, на боковой поверхности цилиндра выполнено отверстие, в которое вставлен патрубок для отсоса второго электролита, на цилиндр снизу надета выполненная из пористого диэлектрика межэлектродная вставка, закрывающая полость цилиндра, образуя зазор между межэлектродной вставкой и сквозной трубкой цилиндра, при этом межэлектродная вставка обхватывает цилиндр снаружи, а сквозная трубка цилиндра соединена через вентиль с водопроводной сетью, на боковой патрубок цилиндра надет шланг, другой конец которого опущен вниз ниже уровня нижнего конца цилиндра.